AN-5127 BLE低功耗蓝牙协议栈结构简述

BLE_002

　　简介

　　Bluetooth Core（Stack）蓝牙核心协议，内容是蓝牙核心技术的描述和规范，只提供基础的机制。

　　蓝牙核心协议由Controller和Host两部分组成，在一个系统中，Host只有一个，但Controller可以有多个，如：单独的LE Controller；单独的BR/EDR Controller；单独的LE+BR/EDR Controller；在单独的BR/EDR Controller或LE+BR/EDR Controller基础上，增加一个或多个额外的AMP Controller。

　　分层介绍

　　1.   Controller

　　Controller实现射频相关的模拟和数字部分，完成最基本的数据发送和接收，Controller对外接口是天线，对内接口是主机控制器接口HCI（Hostcontroller interface）；控制器包含物理层PHY（physicallayer），链路层LL（linker layer），直接测试模式DTM（Direct Test mode）以及主机控制器接口HCI。

　　1.1.  Physical Layer物理层
　　主要内容有：频率选择（2402-2480MHz）、信道选择（40个） 、 信道间隔（2MHz） 、调制方式（GFSK） 、数据传输速率（1Mbps）、接收灵敏度 、 发射功率、 杂散辐射、射频容差。
　　（1）信道选择：物理信道（Physical Channel）为：F=2402+k*2MHz ，k=0,…,39，共40个信道。

　　（Physical Channel = RF Channel）

　　1.2. Link Layer链路层
　　主要内容有：信道分类（3广播+37数据）、广播信道定义（37、38、39） 、数据通道分发（跳频） 、状态角色定义和切换 、数据包校验重传。

　　（LL – Link Layer – Logic Link）

　　（1）广播信道定义
　　37ch —— 2402MHz
　　38ch —— 2426MHz
　　39ch —— 2480MHz

　　之所以选定3个广播信道是一种权衡，少了可能会被阻塞，多了会增加功耗。3个广播信道刚好避开了WiFi的1ch，6ch，11ch，所以BLE广播的时候，不会被WiFi影响。（PS：可以人为阻塞这三个通道）

　　（2）数据信道切换
　　BLE匹配之后，LL由广播信道切换到数据信道，具体使用哪个数据信道在匹配时约定，且连接不会长期使用一个固定通道，会通过跳频技术随机有规律切换。

　　（3）状态和角色定义
　　●Standby状态是初始状态，即不发送数据，也不接收数据。根据上层实体的命令（如位于host软件中GAP），可由其它任何一种状态进入，也可以切换到除Connection状态外的任意一种状态。
　　●Advertising广播状态是可以通过广播通道发送数据的状态，由Standby状态进入。它广播的数据可以由处于Scanning或者Initiating状态的实体接收。上层实体可通过命令将Advertising状态切换回Standby状态。另外，连接成功后，也可切换为Connection状态。
　　●Scanning扫描状态是可以通过广播通道接收数据的状态，由Standby状态进入。根据Advertiser所广播的数据的类型，有些Scanner还可以主动向Advertiser请求一些额外数据。上层实体可通过命令将Scanning状态切换回Standby状态。
　　●Initiating发起状态和Scanning状态类似，不过是一种特殊的接收状态，由Standby状态进入，只能接收Advertiser广播的connectable的数据，并在接收到数据后，立刻发送连接请求，以便和Advertiser建立连接。当连接成功后，Initiater和对应的Advertiser都会切换到Connection状态。
　　●Connection连接状态是和某个实体建立了单独通道的状态，在通道建立之后，由Initiating或者Advertising自动切换而来。通道断开后，会重新回到Standby状态。
通道建立后（通常说“已连接”），处于Connection状态的双方，分别有两种角色Master和Slave：
　　Initiater发起方称作Master。
　　Advertiser广播方称作Slave。

　　（4）Air Interface Protocol空中接口

　　解决两个问题：不同实体间在对应状态下的数据交换，根据上层实体的指令以及实际情况负责状态之间的切换。

　　定义Physical Channel上收发的数据包格式：Preamble（1 octet）+ Access Address（4 octets）+ PDU（2 to 257 octets）+CRC（3 octets）。

　　●定义不同类型的PDU及其格式：
　　Advertising channel中Advertising有关的PDU
　　Advertising channel中Scanning有关的PDU
　　Advertising channel中Initialing有关的PDU
　　Data channel中LL data有关的PDU
　　Data channel中LL control有关的PDU
　　●针对广播通道以白名单（White List）的形式定义Link Layer的数据过滤机制。
　　●执行广播通道上实际的packet收发操作。
　　●定义连接建立的方式及过之后的应答、流控等机制。

　　（5）Link Layer Control链路控制
　　抽象出来一个链路控制协议（Link Layer Control），用于管理、控制两个Link Layer实体之间所建立的这个Connection，主要功能包括：
　　更新Connection相关的参数，如transmitWindowSize、transmitWindowOffset、connInterval等等（具体意义这里不再详述）；
　　更新该连接所使用的跳频图谱（使用哪些Physical Channels）；
　　执行链路加密（Encryption）有关的过程。

　　2.   HCI主机控制器接口

　　（1）HCI作用
　　定义Host和Controller（通常是CPU与射频芯片）之间的通信协议，对理解蓝牙协议来说，是无关紧要的。向上为主机提供软件应用程序接口（API）。

　　（2）HCI内容
　　HCI逻辑上定义一系列的命令，事件；
　　物理上有UART，SDIO，USB，SPI接口；
　　实际可能包含里面的任意1种或几种。常见RF测试时，我们常使用UART发送标准的HCI指令控制Controller。

　　3.   Host
　　主机host是蓝牙协议栈的核心部分，GAP层负责制定设备工作的角色，SS层负责指定安全连接，Logic Link层功能非常强大，官方作用为协议/通道的多路复用，负责上层应用数据（L2CAPService DataUnits，SDUs）的分割（和重组），生成协议数据单元（L2CAP Packet DataUnits，PDUs），以满足用户数据传输对延时的要求，并便于后续的重传、流控等机制的实现。

　　3.1. L2CAP
　　提供数据封装服务，将LL提供的Logical Channel换分为一个个的L2CAP Channel，以便提供应用程序级别的通道复用。

　　逻辑连接控制和适配协议，Logic Link Control and Adaptation Protocol。
　　Protocol/channel multiplexing，协议/通道的多路复用。
　　Segmentation分段 and reassembly重组，上层应用数据（L2CAPService Data Units，SDUs）的分割（和重组），生成协议数据单元（L2CAP Packet Data Units，PDUs），以满足用户数据传输对延时的要求，并便于后续的重传、流控等机制的实现。
　　Flow control per L2CAPchannel，基于L2CAPChannel的流控机制。
　　Error control and retransmissions，错误控制和重传机制。
　　Support for Streaming，支持流式传输（如音频、视频等，不需要重传或者只需要有限重传）。
　　Fragmentation and Recombination，协议数据单元（PDUs）的分片（和重组），生成符合Link Layer传输要求的数据片（长度不超过251，具体可参考5.4.1中有关的介绍）。
　　Quality of Service，QoS的支持。

　　Protocol/channel multiplexing：
　　channel multiplexing（基于通道的多路复用）—— CID，Channel ID。
　　Protocol multiplexing（基于协议的多路复用）——只允许在BR/EDR controller中使用。

　　3.2.  ATT（Attribute Protocol）

　　负责数据检索

　　对上文的总结：Physical Layer负责提供一系列的Physical Channel；基于这些Physical Channel，Link Layer可在两个设备之间建立用于点对点通信的Logical Channel；而L2CAP则将这个Logical Channel换分为一个个的L2CAP Channel，以便提供应用程序级别的通道复用。到此之后，基本协议栈已经构建完毕，应用程序已经可以基于L2CAP欢快的run起来了。

　　（1）特点

　　基于L2CAP，使用固定的ChannelID（0x004）

　　采用client-server的形式。提供信息（以后都称作Attribute）的一方称作ATT server（一般是那些传感器节点），访问信息的一方称作ATT client。
　　一个Attribute由Attribute Type、Attribute Handle和Attribute Value组成。
　　Attribute可以定义一些权限（Permissions），以便server控制client的访问行为。

　　根据所定义的Attribute PDU的不同，client可以对server有多种访问方式。

　　3.3. GATT（Generic Attribute Profile）

　　ATT之所以称作“protocol”，是因为它还比较抽象，仅仅定义了一套机制，允许client和server通过Attribute的形式共享信息。

　　GATT是一个profile（更准确的说是profile framework）
　　在蓝牙协议中，profile一直是一个比较抽象的概念，我们可以将其理解为“应用场景、功能、使用方式”都被规定好的Application。传统的BR/EDR如此，BLE更甚。上面我们讲过，BLE很大一部分的应用场景是信息（Attribute）的共享，因此，BLE协议栈基于Attribute Protocol，定义了一个称作GATT（Generic Attribute）的profile framework（它本身也是一个profile），用于提供通用的、信息的存储和共享等功能。

　　3.4. SM（Security Manager）

　　待添加。

　　3.5. GAP（Generic Access Profile）

　　通用访问配置文件，实现功能如下：

　　（1）定义GAP层的蓝牙设备角色
　　Broadcaster Role，设备正在发送advertising events；
　　Observer Role，设备正在接收advertising events；
　　Peripheral Role，设备接受Link Layer连接（对应Link Layer的slave角色）；
　　Central Role，设备发起Link Layer连接（对应Link Layer的master角色）。

　　（2）定义GAP层的、用于实现各种通信的操作模式和过程
　　Broadcast mode andobservation procedure，实现单向的、无连接的通信方式；
　　Discovery modes andprocedures，实现蓝牙设备的发现操作；
　　Connection modes andprocedures，实现蓝牙设备的连接操作；
　　Bonding modes andprocedures，实现蓝牙设备的配对操作。

　　（3）定义User Interface有关的蓝牙参数
　　蓝牙地址（Bluetooth Device Address）；
　　蓝牙名称（Bluetooth Device Name）；
　　蓝牙的pincode（Bluetooth Passkey）；
　　蓝牙的class（Class ofDevice，和发射功率有关）；
　　等等。

　　（4）Security有关的定义

　　4.   Application
　　蓝牙应用层协议，在蓝牙核心协议的基础上，根据具体的应用需求，定义出各种各样的策略，如FTP、文件传输、局域网等。
　　Profile是Application的代指，翻译为服务，具体有：SPP、HSP、HFP、FTP、IPv6/6LoWPAN等。